エネルギーのことについてですが・・・

質問

「物体を落下させて、地面に衝突させたときに、物体の温度が上昇した。」

これって、どういうことでしょうか？
位置エネルギー→運動エネルギー→熱エネルギー
というのは予想がつきます。ですが、運動エネルギーから熱エネルギーへはどうやって変わってるのでしょう？

調べてみると、衝突したときの摩擦により温度が上がるといったようなことがありました。
だとすれば、例えば鉄粉１ｋｇ（袋などに入れて）と鉄球１ｋｇを落としたとき、鉄粉のほうが、摩擦する面が多いわけですから、鉄粉のほうが温度が大きく上がるということなのでしょうか？
しかし、そうしたとき、エネルギーの量（？）が鉄粉と鉄球では違うことになってしまうわけで・・・

例なども含めて教えてください。よろしくお願いします。

回答No.5

sanori · ベストアンサー

こんにちは。

＞＞＞運動エネルギーから熱エネルギーへはどうやって変わってるのでしょう？

すでに同様の回答がありますが、物体を構成する分子ないしは原子の振動のエネルギーに変わります。
その「振動」こそが、熱運動です。

ただし、「衝突したときの摩擦により」という考え方は、この場合は正しくありません。
「衝突摩擦」などという術語はないですし、「地面に平行に近い角度で擦れた」ということでもないでしょう。
（物体が地面にめり込むのであれば、めり込むときに摩擦熱は発生しますが。）

＞＞＞だとすれば、例えば鉄粉１ｋｇ（袋などに入れて）と鉄球１ｋｇを落としたとき、鉄粉のほうが、摩擦する面が多いわけですから、鉄粉のほうが温度が大きく上がるということなのでしょうか？

鉄粉でも鉄球でも一様に温度が上がるのであれば、同じだけ温度が上昇します。
衝突したときの衝撃による熱の発生と、物体内部での摩擦熱の発生の総和は、どちらの場合も同じになります。

なお、
逆に、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する方法は、ご存知ですよね？
（それがないと、私が住んでいる地区の場合、テレビは見れないし、パソコンも冷蔵庫も使えません。）
逆ができるのですから、運動エネルギーが熱という形態に変わることは、不思議なことではないのです。

＞＞＞例なども含めて教えてください。

運動エネルギーが熱に変わるとは言っても、思いのほか温度上昇は小さいものです。
この間までテレビで流れていた、毛利衛さん出演の某住宅メーカーのコマーシャルで、
地震による住宅への被害を、摩擦熱を発生させる機構で防ぐ技術が紹介されていましたが、
やはり、同様のこと（熱の発生は意外と小さい）を言っていました。

小さいものに衝撃を与えるのが、賢い実験となります。
釘をトンカチで叩くと、熱くなりますよ。
あんな小さいものを強く打ち付けると、どんどん熱くなっていきます。
小さいということは、熱容量が小さいということですから。

音についてもコメントしておきますが、
衝突したときには音が出ますが、音波というものは、どんどん伝わっていくと、どんどん減衰します。
距離の何乗に反比例する、ということではなく、音のエネルギーの総和が時間とともに小さくなっていきます。
これは、音のエネルギーが熱に変換されるからです。
とは言っても、音も熱と同様、分子ないしは原子の運動に帰着しますけどね。

以上、ご参考になりましたら幸いです。

回答No.4

yokkun831

>「エネルギーの見え方が変わっただけ」ということでしょうか？

ということであると思います。

マクロの現象において，「逃げた」といわれるエネルギーのゆくえを実際に追跡することは困難です。しかし，閉じた系のエネルギー保存に科学者は確信をもっており，計算が合わない分はそのたびにその「逃げ道」を発見してきたわけですね？　そのほとんどは最終的にミクロの目で見たときの原子分子の力学的エネルギーになるのですが，ついには，すべての物体が発する電磁波（赤外線）のような形でのわずかな散逸についても認識するようになったのだと思います。

>真空状態（筒や箱など、実験装置的な規模）で落下させた場合、温度が通常に落下させるよりはあがりやすいということでしょうか？

物質が何もない真空が最も断熱性が高いことは，魔法瓶にも応用されている通りです。

回答No.3

rnakamra

#1のものです。

>ということは、仮に真空状態（筒や箱など、実験装置的な規模）で落下させた場合、温度が通常に落下させるよりはあがりやすいということでしょうか？

エネルギーはいろいろなものに形を変えていくわけですが、ほとんどはぶつかった地面に拡散される分でしょう。
真空中でやると確かに大気に逃げる分が減るのですが、もしかするとそれ以上に地面に逃げる分が増えてしまうかも知れませんのでなんともいえません。もちろん地面に逃げる分が変わらないのであれば物体の温度上昇は大きくなります。

お礼

迅速、詳細な回答ありがとうございます。
おかげで、知りたかったことに関しては全て解決できました。

回答No.2

yokkun831

>鉄粉のほうが温度が大きく上がるということなのでしょうか？
しかし、そうしたとき、エネルギーの量（？）が鉄粉と鉄球では違うことになってしまうわけで・・・

その通りなのです。

>運動エネルギーから熱エネルギーへはどうやって変わってるのでしょう？

ごしごしこすられた原子分子が揺り動かされて，ミクロの目で見れば原子分子の運動エネルギーになっているのです。でもマクロの目で見ると原子分子の力学的エネルギーは見えないので，このエネルギーは「内部エネルギー」といって鉄球・鉄粉や空気の中に散逸したと見るわけです。

お礼

素早い回答ありがとうございました。
回答を元に、さらに調べてみようと思います。

補足

>ごしごしこすられた原子分子が揺り動かされて，ミクロの目で見れば原子分子の運動エネルギーになっているのです。

これを聞いて、熱というのは原子？電子？の動きの活発さのことというような話があったことを思い出しました。

つまり、熱エネルギーや音エネルギーなど、実はそれ自体が運動エネルギーであり、運動エネルギーから熱、音エネルギーになるというのは厳密にいえば、「エネルギーが移り変わった」というのではなく、「エネルギーの見え方が変わっただけ」ということでしょうか？

回答No.1

rnakamra

運動エネルギーが変化した熱が全て物体の温度を上げるのに寄与するわけではありません。

かなりの部分は地面に振動の形でエネルギーが拡散され、一部は空気との摩擦や音の形で大気に拡散されます。
残った一部が物体の温度を上げるのに寄与します。

鉄球と鉄粉では、確かに鉄粉のほうが内部での摩擦の形で鉄の温度を上げるのに寄与する割合が大きくなりそうな気がします。
地面とぶつかるときも袋側の変形で衝撃が和らぎ、地面に逃げる分も少なくなりそう。空気抵抗は増えるかもしれないが音は減りそうな気がする。

もちろん、トータルでのエネルギー量は変わらないのですが。

補足

他のエネルギーとしても拡散するということはわかりました。

ということは、仮に真空状態（筒や箱など、実験装置的な規模）で落下させた場合、温度が通常に落下させるよりはあがりやすいということでしょうか？